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JP2024090396A - Wind turbines and wind power generation equipment - Google Patents

Wind turbines and wind power generation equipment Download PDF

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JP2024090396A
JP2024090396A JP2022206283A JP2022206283A JP2024090396A JP 2024090396 A JP2024090396 A JP 2024090396A JP 2022206283 A JP2022206283 A JP 2022206283A JP 2022206283 A JP2022206283 A JP 2022206283A JP 2024090396 A JP2024090396 A JP 2024090396A
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JP
Japan
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wind
jet
rotating shaft
blade
blades
Prior art date
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Pending
Application number
JP2022206283A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
祐介 酒井
Yusuke Sakai
芳昭 植田
Yoshiaki Ueda
智也 中嶋
Tomoya Nakajima
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kumagai Gumi Co Ltd
Josho Gakuen Educational Foundation
University Public Corporation Osaka
Original Assignee
Kumagai Gumi Co Ltd
Josho Gakuen Educational Foundation
University Public Corporation Osaka
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Filing date
Publication date
Application filed by Kumagai Gumi Co Ltd, Josho Gakuen Educational Foundation, University Public Corporation Osaka filed Critical Kumagai Gumi Co Ltd
Priority to JP2022206283A priority Critical patent/JP2024090396A/en
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Abstract

【課題】ブレードの機械的な破損を防ぎ、初期起動に必要とされる風速を下げ、起動性に優れた風車及び風力発電装置を提供する。【解決手段】回転軸と、前記回転軸の回転中心軸を中心とする同心円上に均等な間隔で離隔して設けられた複数のブレードと、を備え、前記複数のブレードに風が当たることにより複数のブレードが回転軸とともに回転可能とされた風車であって、前記ブレードが該ブレードの後縁より後方にジェットを噴射可能な開口部を備え、前記開口部からのジェットの噴射を制御するジェット噴射装置を備えた構成とした。【選択図】図4[Problem] To provide a windmill and wind power generation device that prevents mechanical damage to the blades, reduces the wind speed required for initial startup, and has excellent startup characteristics. [Solution] A windmill that includes a rotating shaft and a number of blades that are spaced apart at equal intervals on concentric circles centered on the central axis of rotation of the rotating shaft, and that can rotate together with the rotating shaft when wind strikes the blades, and that includes an opening that can eject a jet behind the trailing edge of the blade, and a jet ejection device that controls the ejection of the jet from the opening. [Selected Figure] Figure 4

Description

本発明は、風車及び風力発電装置に関する。 The present invention relates to wind turbines and wind power generation devices.

風力エネルギーを回収する風車には大きく分けて水平軸型風車と垂直軸型風車がある。水平軸型風車としてプロペラ型風車があり、世界的に見ても最も多用されている風車である。この風車は、効率が高いものの風の風向が変化すると回転軸の方向を風のくる方に向け直す必要がある。一方、垂直軸型風車は、あらゆる方向からの風に対して有効に働くので、風向が頻繁に変化する環境に適した風車である。
垂直軸型風車には、抗力型と揚力型とがある。抗力型の代表的なものにはサボニウス風車があり、現在も広く用いられている。この風車は、起動トルクが大きいものの一般に効率が低い。
一方、揚力型風車としては、ダリウス風車とジャイロミル風車が代表的である。揚力型風車は翼が回転しているときに、翼に働く揚力を用いることから、起動トルクが小さいだけでなく、低速回転時、具体的には周速度比(翼の周速度/風速)が1以下の場合における効率が低い。特に、ダリウス風車は起動トルクが低いのでサボニウス風車と組み合わせた使用も試みられている。
ジャイロミル風車は、直線型ダリウス風車とも呼ばれ、起動トルクが比較的高く、自律的な起動が可能である。
但し、揚力型の特性として、低速回転時におけるトルク、効率は低い。しかし、騒音が低い、或いは起動特性が良いなどの優れた特性が評価され、近年この種の風車が注目されている。
例えば、特許文献1に示すように、ブレードの後端に補助ブレードを設けることにより、初期起動に必要とされる風速を下げ、ローターの抗力及び揚力の増大によって発電効率を向上させたものが知られている。
Wind turbines that harvest wind energy can be broadly divided into horizontal axis and vertical axis turbines. The horizontal axis turbine is the propeller type, which is the most widely used type worldwide. Although this type of turbine is highly efficient, when the wind direction changes, the direction of the rotation axis must be reoriented in the direction of the wind. On the other hand, vertical axis turbines are effective against winds from any direction, making them suitable for environments where the wind direction changes frequently.
Vertical axis wind turbines are classified into drag type and lift type. A typical drag type is the Savonius wind turbine, which is still widely used today. This type of wind turbine has a large starting torque but generally low efficiency.
On the other hand, Darrieus wind turbines and Gyromill wind turbines are typical lift-type wind turbines. Lift-type wind turbines use the lift acting on the blades when they are rotating, so not only do they have a small starting torque, but they also have low efficiency when rotating at low speeds, specifically when the circumferential speed ratio (circumferential speed of the blades/wind speed) is 1 or less. In particular, Darrieus wind turbines have a low starting torque, so attempts are being made to use them in combination with Savonius wind turbines.
Gyromill wind turbines, also known as linear Darrieus wind turbines, have a relatively high starting torque and are capable of autonomous starting.
However, as a characteristic of the lift type, the torque and efficiency are low at low speeds. However, these types of wind turbines have been attracting attention in recent years due to their excellent characteristics such as low noise and good starting characteristics.
For example, as shown in Patent Document 1, a turbine is known in which auxiliary blades are provided at the rear ends of the blades to reduce the wind speed required for initial startup and increase the drag and lift of the rotor, thereby improving power generation efficiency.

特開2013-515203号公報JP 2013-515203 A

しかしながら、補助ブレードは、風車の回転が上がるに従い、補助ブレードが遠心力により外側に反り、流れに対する抵抗となって急激なトルクの低下を招く場合がある。また、補助ブレードが弾性材料を素材として構成されるため、変形の繰り返しによる疲労破壊や自然環境下での耐久性に劣る等の問題を生じさせていた。
本発明は、上記課題を解決するため、ブレードの機械的な破損を防ぎ、初期起動に必要とされる風速を下げ、起動性に優れた風車及び風力発電装置を提供することを目的とする。
However, as the rotational speed of the wind turbine increases, the auxiliary blades may bend outward due to centrifugal force, creating resistance to the flow and causing a sudden drop in torque. In addition, because the auxiliary blades are made of an elastic material, they can be subject to fatigue damage due to repeated deformation and have poor durability in natural environments.
In order to solve the above problems, an object of the present invention is to provide a wind turbine and a wind power generation device that prevent mechanical damage to the blades, reduce the wind speed required for initial start-up, and have excellent starting properties.

上記課題を解決するための風車の構成として、回転軸と、回転軸の回転中心軸を中心とする同心円上に均等な間隔で離隔して設けられた複数のブレードと、を備え、複数のブレードに風が当たることにより複数のブレードが回転軸とともに回転可能とされた風車であって、ブレードが該ブレードの後縁より後方にジェットを噴射可能な開口部を備え、開口部からのジェットの噴射を制御するジェット噴射装置を備えた構成とした。
本構成によれば、ジェットの反力によりブレードを回転させることができる。即ち、風の力が弱い(風速が遅い)場合であっても、風車の回転の起動を補助することができる。
また、ブレードが翼形状を有することにより、噴射されたジェットの反力によって揚力が生じ、風の力が弱い(風速が遅い)場合であっても、風車の回転の起動を補助することができる。
また、前記開口部が、ブレードの延長方向に沿って開口するように形成されたことにより、開口部から噴射されたジェットが、航空機などで知られるフラップとして機能し、噴射されたジェットの反力とともに大きな揚力が得られ、風車の回転の起動を補助することができる。
また、前記ジェット噴射装置は、各ブレードに対する風向に基づいて、ジェットを噴射することにより、ジェットの噴射に要するエネルギーの消費を減らすことができる。
また、前記ジェット噴射装置が、風が向かい風となるブレードからのジェットの噴射を停止し、
風が追い風となるブレードからジェットを噴射することにより、ジェットの噴射に要するエネルギーの消費を減らすことができる。
風力発電装置が、前記請求項1乃至請求項4に記載の風車を備え、前記回転軸の回転により発電する発電機を備えることにより、風速が遅い場合であっても発電を開始することができる。
The wind turbine configuration for solving the above problems includes a rotating shaft and a number of blades arranged at equal intervals on concentric circles centered on the central axis of the rotating shaft, and the blades are capable of rotating together with the rotating shaft when wind hits them. The wind turbine is configured such that the blades have openings behind their trailing edges through which a jet can be ejected, and the wind turbine is equipped with a jet ejection device for controlling the ejection of the jet from the openings.
According to this configuration, the blades can be rotated by the reaction force of the jet, which helps start the rotation of the wind turbine even when the wind is weak (wind speed is low).
In addition, because the blades have a wing shape, lift is generated by the reaction force of the ejected jet, which can help start the rotation of the wind turbine even when the wind force is weak (wind speed is slow).
Furthermore, since the opening is formed so as to open along the extension direction of the blade, the jet ejected from the opening functions as a flap as known in aircraft, etc., and together with the reaction force of the ejected jet, a large lift force is obtained, thereby assisting in starting the rotation of the wind turbine.
In addition, the jet ejection device ejects jets based on the wind direction relative to each blade, thereby reducing the consumption of energy required for ejecting the jets.
Also, the jet ejection device stops ejecting the jet from the blade facing the headwind,
By ejecting the jet from a blade that is facing the wind, the energy consumption required to eject the jet can be reduced.
The wind power generation device includes the wind turbine according to any one of claims 1 to 4 and a generator that generates power by rotation of the rotating shaft, so that power generation can be started even when the wind speed is slow.

本発明の実施形態に係る垂直軸型風力発電装置を示す外観図である。1 is an external view showing a vertical axis wind turbine generator according to an embodiment of the present invention. 垂直軸型風力発電装置を示す側断面図である。FIG. 2 is a side cross-sectional view showing a vertical axis wind turbine generator. ブレードを翼弦方向に沿って断面視したときの表面形状を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing the surface shape of a blade when viewed in cross section along the chord direction. 回転軸とアームの連結部分及びアームとブレードの連結部分の拡大断面図である。4 is an enlarged cross-sectional view of a connecting portion between the rotating shaft and the arm and a connecting portion between the arm and the blade. FIG. ブレードを後縁側から平面視した拡大図である。FIG. 2 is an enlarged plan view of the blade viewed from the trailing edge side. ブレードの後縁に設けられた開口部を含む断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view including an opening provided at the trailing edge of the blade. ジェット噴射装置のブロック図である。FIG. 2 is a block diagram of a jet injection device. ブレードからジェットを噴射したときのイメージ図である。This is an image of what happens when a jet is ejected from a blade. ジェット噴射装置の他の形態を示すブロック図である。FIG. 13 is a block diagram showing another embodiment of the jet ejection device.

以下、発明の実施形態を通じて本発明を詳説するが、以下の実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではなく、また実施形態の中で説明される特徴の組み合わせのすべてが発明の解決手段に必須であるとは限らず、選択的に採用される構成を含むものである。 The present invention will be described in detail below through the embodiments of the invention, but the following embodiments do not limit the invention as claimed, and not all of the combinations of features described in the embodiments are necessarily essential to the solution of the invention, but include configurations that are selectively adopted.

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図1は、本発明の実施形態に係る垂直軸型の風力発電装置1の平面図である。図2は、風力発電装置1の側断面図である。
図1、図2に示すように、風力発電装置1は、風Wを受けて回転する回転機構2と、回転機構2により得られた機械エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機構4と、ジェット噴射装置8等を備える。
これら回転機構2、発電機構4及びジェット噴射装置8は、地面Fに立設されて鉛直方向に延びる台座6の上部に配設される。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
Fig. 1 is a plan view of a vertical axis type wind turbine generator 1 according to an embodiment of the present invention. Fig. 2 is a side cross-sectional view of the wind turbine generator 1.
As shown in Figures 1 and 2, the wind turbine generator 1 includes a rotation mechanism 2 that rotates when it receives wind W, a power generation mechanism 4 that converts mechanical energy obtained by the rotation mechanism 2 into electrical energy, a jet injection device 8, and the like.
The rotating mechanism 2, the power generating mechanism 4 and the jet ejection device 8 are disposed on the upper part of a base 6 which stands on the ground F and extends vertically.

回転機構2は、風Wを受ける風車10と、風車10に連結された回転軸20、軸受30を介して回転軸20を中心軸C回りに回転可能に支持するケーシング40を備える。
本実施形態に係る風車10は、例えば 垂直軸型風車の一つであるジャイロミル型風車を構成している。風車10は、風向きに対して依存性がなく、どの方向からの風Wに対しても回転軸20の中心軸C回りに回転可能に構成される。
The rotating mechanism 2 includes a wind turbine 10 that receives wind W, a rotating shaft 20 connected to the wind turbine 10, and a casing 40 that supports the rotating shaft 20 rotatably about a central axis C via bearings 30.
The wind turbine 10 according to this embodiment is, for example, a gyromill type wind turbine, which is a type of vertical axis wind turbine. The wind turbine 10 is independent of the wind direction and is configured to be rotatable around the central axis C of the rotation shaft 20 regardless of the wind W from any direction.

ケーシング40は、下端部が台座6の上端部に固定して設けられる。ケーシング40は、上側部分41(風車10側)が、下側部分42(台座6側)よりも縮径された多段筒形に形成される。 The lower end of the casing 40 is fixed to the upper end of the base 6. The casing 40 is formed in a multi-stage cylindrical shape with the upper part 41 (wind turbine 10 side) having a smaller diameter than the lower part 42 (base 6 side).

ケーシング40の下側部分42には、例えば、発電機構4やジェット噴射装置8(不図示)等が収容される。
発電機構4は、回転軸20が周方向(中心軸C回り)に回転することで得られる機械エネルギーを電気エネルギーに変換して電力を発電させる発電機(図外)を備える。
The lower portion 42 of the casing 40 accommodates, for example, the power generation mechanism 4 and the jet injection device 8 (not shown).
The power generation mechanism 4 includes a generator (not shown) that converts mechanical energy obtained by rotating the rotating shaft 20 in the circumferential direction (around the central axis C) into electrical energy to generate electricity.

発電機は、例えば、回転軸20とともに回転するように回転軸20の下端にマグネットロータ(図外)を設け、該マグネットロータの外周側を取り囲むようにコイルステータ(図外)を配置して構成される。 The generator is configured, for example, by providing a magnet rotor (not shown) at the lower end of the rotating shaft 20 so that it rotates together with the rotating shaft 20, and disposing a coil stator (not shown) so as to surround the outer periphery of the magnet rotor.

ケーシング40の上側部分41の内周面には、回転軸20を回転可能に支持する軸受30が設けられる。軸受30は、外周がケーシング40の上側部分41の上端側及び下端側の内周面に嵌合され、内周に回転軸20が嵌着される。 A bearing 30 that rotatably supports the rotating shaft 20 is provided on the inner peripheral surface of the upper part 41 of the casing 40. The outer periphery of the bearing 30 is fitted into the inner peripheral surfaces of the upper and lower ends of the upper part 41 of the casing 40, and the rotating shaft 20 is fitted to the inner periphery.

図1,2に示すように、回転軸20は、下端側が軸受30;30によりケーシング40に対して回転可能に支持され、上方に向けて延長する。なお、軸受30;30に支持された回転軸20は、中心軸Cが地面Fに対して垂直とされる。 As shown in Figures 1 and 2, the lower end of the rotating shaft 20 is rotatably supported by bearings 30;30 relative to the casing 40 and extends upward. The rotating shaft 20 supported by the bearings 30;30 has a central axis C perpendicular to the ground F.

回転軸20の外周面には、ブレード11を支持するためのアーム12の一端が接続される。本実施形態では、アーム12は、中間部材15を介して回転軸20と連結されものとして説明する。中間部材15は、回転軸20の上下2か所に所定距離離間して設けられる。
本実施形態では、アーム12は断面円形の中空パイプとして説明するが、その断面形状は円形に限定されない。
One end of an arm 12 for supporting the blade 11 is connected to the outer circumferential surface of the rotating shaft 20. In this embodiment, the arm 12 is described as being connected to the rotating shaft 20 via an intermediate member 15. The intermediate member 15 is provided at two positions above and below the rotating shaft 20, spaced a predetermined distance apart.
In this embodiment, the arm 12 is described as a hollow pipe having a circular cross section, but the cross-sectional shape is not limited to a circle.

各中間部材15には、複数本(本実施形態では3本)のアーム12が回転軸20の外周面から半径方向外側に向けて延長するように接続される。各中間部材15に接続された複数のアーム12は、回転軸20の周方向均等な間隔をあけて配置される。また、各中間部材15に接続されたアーム12は、鉛直方向上下に並ぶように配置される。以下、鉛直方向上下に並ぶアーム12;12をアーム対12;12という。本実施形態の場合では、アーム対12;12が3対とされる。 A plurality of arms 12 (three in this embodiment) are connected to each intermediate member 15 so as to extend radially outward from the outer circumferential surface of the rotating shaft 20. The arms 12 connected to each intermediate member 15 are arranged at equal intervals around the circumference of the rotating shaft 20. The arms 12 connected to each intermediate member 15 are also arranged so as to line up vertically above and below. Hereinafter, the arms 12;12 lined up vertically above and below are referred to as arm pairs 12;12. In this embodiment, there are three pairs of arm pairs 12;12.

アーム対12;12の他端には、風Wの受ける1枚のブレード11が地面Fと鉛直方向に延びるように連結される。本実施形態では、3枚のブレード11が、アーム対12;12を介して、回転軸20の中心軸C回りの同心円上を円周方向に均等な間隔をあけて設けられている。
各ブレード11は、前縁と後縁とを結ぶ線分が、ブレード11が回転したときの回転円の接線方向となるようにアーム対12;12に取り付けられている。
One blade 11 that receives wind W is connected to the other end of the arm pair 12;12 so as to extend vertically to the ground F. In this embodiment, three blades 11 are provided via the arm pair 12;12 at equal intervals in the circumferential direction on a concentric circle about the central axis C of the rotating shaft 20.
Each blade 11 is attached to a pair of arms 12; 12 so that a line segment connecting the leading edge and the trailing edge is tangent to a circle of rotation of the blade 11 when it rotates.

図3は、ブレードを翼弦方向に沿って断面視したときの表面形状を示す図である。
本実施形態では、ブレード11は、風Wを受けると揚力を発生可能な翼形状とされる。即ち、風車10は、ブレード11が風Wを受けたときに発生した揚力により回転軸20を回転させるように構成されている。
FIG. 3 is a diagram showing the surface shape of a blade when viewed in cross section along the chord direction.
In this embodiment, the blades 11 have a wing shape capable of generating lift when subjected to wind W. That is, the wind turbine 10 is configured to rotate the rotating shaft 20 by the lift generated when the blades 11 receive the wind W.

ここで、回転軸20とアーム12の連結構造、アーム12とブレード11の連結構造について説明する。本実施形態に係る回転軸20、アーム12及びブレード11は、それぞれ中空となるように構成される。 Here, we will explain the connection structure between the rotating shaft 20 and the arm 12, and the connection structure between the arm 12 and the blade 11. The rotating shaft 20, arm 12, and blade 11 in this embodiment are each configured to be hollow.

図4は、回転軸とアームの連結部分及びアームとブレードの連結部分の拡大断面図である。
図4(a)に示すように、回転軸20及び中間部材15は、アーム12の一端部が回転軸20の中空部に進入可能な貫通孔20A;15Aをそれぞれ備えた構成とされる。
また、図4(b)に示すように、ブレード11及び連結部材25は、アーム12の他端部がブレード11の中空部に進入可能な貫通孔11A;25Aを備えた構成とされる。
FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view of a connecting portion between the rotating shaft and the arm and a connecting portion between the arm and the blade.
As shown in FIG. 4A, the rotating shaft 20 and the intermediate member 15 are configured to have through holes 20A and 15A, respectively, through which one end of the arm 12 can enter the hollow portion of the rotating shaft 20.
As shown in FIG. 4B , the blade 11 and the connecting member 25 are configured to have through holes 11A and 25A through which the other end of the arm 12 can enter the hollow portion of the blade 11 .

本実施形態の風車10では、中空のアーム12の両端が開口した状態で、回転軸20及びブレード11に固定され、回転軸20の中空部がアーム12を介してブレード11の中空部と連通するように構成されている。 In the wind turbine 10 of this embodiment, the hollow arm 12 is fixed to the rotating shaft 20 and the blades 11 with both ends open, and the hollow portion of the rotating shaft 20 is connected to the hollow portion of the blades 11 via the arm 12.

図5は、ブレードを後縁側から平面視した拡大図である。図6は、ブレードの後縁に設けられた開口部を含む断面図である。
本実施形態に係るブレード11は、後縁13から後方にジェットJを噴出可能に構成される。なお、ジェットJとは、例えば、加圧された空気が一方向の流れとなって噴出することを言う。
図5,6に示すように、ブレード11は、開口部80を備えた構成とされる。開口部80は、例えば、翼長の中央位置、かつ、後縁13を中心として翼弦方向に延長する円孔として設けられる。開口部80を形成する孔壁80aは、翼弦方向に延長する円柱面としてブレード11に形成される。
Fig. 5 is an enlarged plan view of the blade from the trailing edge side, and Fig. 6 is a cross-sectional view including an opening provided at the trailing edge of the blade.
The blade 11 according to this embodiment is configured to be able to eject a jet J rearward from the trailing edge 13. Note that the jet J refers to, for example, pressurized air ejected as a unidirectional flow.
5 and 6, the blade 11 is configured to have an opening 80. The opening 80 is provided, for example, as a circular hole extending in the chord direction from the center of the blade span at the trailing edge 13. A hole wall 80a defining the opening 80 is formed in the blade 11 as a cylindrical surface extending in the chord direction.

開口部80は、例えば、風車10を構成するすべてのブレード11に設けられる。また、開口部80の大きさは、ブレード11内に供給された圧縮空気が開口部80からジェットJとして噴出可能な大きさとすると良い。 The openings 80 are provided, for example, in all of the blades 11 that make up the wind turbine 10. The size of the openings 80 should be such that the compressed air supplied to the blades 11 can be ejected from the openings 80 as a jet J.

図7は、ジェット噴射装置のブロック図である。
ジェット噴射装置8は、例えば、ブレード11から噴出されるジェットJの元となる圧縮空気を生成する圧縮空気生成手段100と、回転軸20の回転状態を検出するための回転角検出手段120と、風Wの風速を検出する風速検出手段130と、ブレード11への圧縮空気の供給を制御するジェット制御手段140と、を備えた構成とされる。
FIG. 7 is a block diagram of a jet injection device.
The jet injection device 8 is configured, for example, to include compressed air generating means 100 that generates compressed air that is the source of the jet J that is ejected from the blade 11, a rotation angle detection means 120 that detects the rotation state of the rotating shaft 20, a wind speed detection means 130 that detects the wind speed of the wind W, and a jet control means 140 that controls the supply of compressed air to the blade 11.

圧縮空気生成手段100は、例えば、コンプレッサーやレギュレータ、バルブ等により構成することができる。圧縮空気生成手段100は、コンプレッサーで加圧された圧縮空気をレギュレータにより所定の圧力に調圧し、バルブを開閉することで、調圧された圧縮空気の出力や停止が実現される。本実施形態では、バルブは、電気的な信号により弁が開閉する電磁弁として説明する。バルブは、回転軸20と接続され、バルブが開いたときの圧縮空気を回転軸20の中空部に供給可能に配管される。 The compressed air generating means 100 can be composed of, for example, a compressor, a regulator, a valve, etc. The compressed air generating means 100 adjusts the compressed air pressurized by the compressor to a predetermined pressure using a regulator, and opens and closes a valve to output or stop the adjusted compressed air. In this embodiment, the valve is described as an electromagnetic valve that opens and closes in response to an electrical signal. The valve is connected to the rotating shaft 20, and is piped so that compressed air can be supplied to the hollow portion of the rotating shaft 20 when the valve is open.

バルブから回転軸への配管は、例えば、回転軸20の下端の開口部に回転継手(ロータリージョイント)を設け、回転継手とバルブとを管で接続すれば良い。このように配管を構成することで、回転軸20の回転を維持したまま、圧縮空気を回転軸20の中空部に供給することができる。
なお、回転軸20内における圧縮空気生成手段100から各ブレード11に圧縮空気を供給するための流路は、配管を用いたものに限定されず、例えば、回転軸20内に遮蔽板(区画壁)を設けて、配管に代わる流路を形成するようにしても良い。即ち、圧縮空気生成手段100から各ブレード11に対して個別に圧縮空気を供給可能な流路が形成されていれば良い。
The piping from the valve to the rotating shaft can be, for example, provided with a rotary joint at the opening at the lower end of the rotating shaft 20, and the rotary joint and the valve can be connected with a pipe. By configuring the piping in this way, it is possible to supply compressed air to the hollow part of the rotating shaft 20 while maintaining the rotation of the rotating shaft 20.
The flow path for supplying compressed air from the compressed air generating means 100 to each blade 11 in the rotating shaft 20 is not limited to one using piping, and for example, a flow path instead of piping may be formed by providing a shielding plate (partition wall) in the rotating shaft 20. In other words, it is sufficient that a flow path is formed that can supply compressed air from the compressed air generating means 100 to each blade 11 individually.

そして、回転軸20の中空部に供給された圧縮空気は、アーム12の中空部を経由して、ブレード11の中空部へと供給され、翼後縁に設けた開口部80からジェットJとなって噴出される。 The compressed air supplied to the hollow part of the rotating shaft 20 is then supplied to the hollow part of the blade 11 via the hollow part of the arm 12, and is ejected as a jet J from an opening 80 provided at the trailing edge of the blade.

回転角検出手段120は、回転軸20の回転を検出可能に設けられる。回転角検出手段120は、例えば、ロータリーエンコーダ等、検出した回転軸20の回転(角度)を電気的に出力可能なセンサを利用することができる。 The rotation angle detection means 120 is provided so as to be able to detect the rotation of the rotating shaft 20. The rotation angle detection means 120 can be, for example, a sensor such as a rotary encoder that can electrically output the detected rotation (angle) of the rotating shaft 20.

風速検出手段130は、風車10周りの風Wの速度(風速)を検出し、検出した風速を電気的な信号として出力可能に構成されたセンサを利用することができる。 The wind speed detection means 130 can utilize a sensor configured to detect the speed (wind speed) of the wind W around the wind turbine 10 and output the detected wind speed as an electrical signal.

ジェット制御手段140は、所謂コンピューター等により構成することができる。ここで言うコンピューターとは、例えば、演算処理手段としてのCPUや記憶手段としてのROM,RAM等のハードウェアを備えたものを言い、その形態は問わず、PLC(Programmable Logic Controller)等であっても良い。 The jet control means 140 can be configured by a so-called computer or the like. The computer referred to here is, for example, a device equipped with hardware such as a CPU as a processing means and ROM, RAM, etc. as storage means, and can be of any form, such as a PLC (Programmable Logic Controller).

ジェット制御手段140は、バルブ、回転角検出手段120、風速検出手段130等と電気的に接続され、回転角検出手段120により検出された回転軸20の回転角度の変化に基づいて回転軸20の回転速度を算出し、算出された回転速度に基づいてバルブの開閉を制御したり、風速検出手段130により検出された風速に基づいてバルブの開閉を制御したりするように構成することができる。 The jet control means 140 is electrically connected to the valve, the rotation angle detection means 120, the wind speed detection means 130, etc., and can be configured to calculate the rotation speed of the rotating shaft 20 based on the change in the rotation angle of the rotating shaft 20 detected by the rotation angle detection means 120, and control the opening and closing of the valve based on the calculated rotation speed, or control the opening and closing of the valve based on the wind speed detected by the wind speed detection means 130.

ジェット制御手段140は、例えば、風速があらかじめ設定された閾値よりも小さいときや回転軸20の回転速度がゼロや所定の回転数に達したときにはバルブに信号を出力しないように構成することができる。
これにより、風速が風車10を回転させるには困難な場合や、十分な風速が得られてジェットJが不要な回転数に達したときのエネルギー消費を抑えることができる。
The jet control means 140 can be configured, for example, not to output a signal to the valve when the wind speed is lower than a preset threshold value or when the rotational speed of the rotating shaft 20 reaches zero or a predetermined number of rotations.
This makes it possible to reduce energy consumption when the wind speed is too high to rotate the wind turbine 10 or when sufficient wind speed is obtained to cause the jet J to reach an unnecessary rotation speed.

また、ジェット制御手段140は、例えば、風速があらかじめ設定された閾値に達したときには、バルブに信号を出力するように構成することができる。ここで言う閾値とは、ジェットJの噴射により風車10の起動が可能とされる風速を意味する。 The jet control means 140 can be configured to output a signal to the valve, for example, when the wind speed reaches a preset threshold. The threshold here means the wind speed at which the jet J can be ejected to start the wind turbine 10.

図8は、ブレード11からジェットJを噴射したときのイメージ図である。
図8に示すように、風車10は、各ブレード11からジェットJを噴射することにより、風Wの向きによらず回転軸20の中心軸C周りを回転軸20に回転力を生じさせることができる。
したがって、風Wの風速が風車10の起動にやや不足する場合にジェットJを噴射することで、風車10の回転を開始させることができる。
また、風Wによって十分な回転力が得られる場合を超えた場合には、ジェットJの噴射を停止することで、不要なエネルギーの消費を防ぐことができる。
FIG. 8 is an image diagram of when a jet J is ejected from the blade 11. As shown in FIG.
As shown in FIG. 8 , the wind turbine 10 can generate a rotational force on the rotation shaft 20 around the central axis C of the rotation shaft 20 by ejecting a jet J from each blade 11 regardless of the direction of the wind W.
Therefore, when the wind speed of the wind W is slightly insufficient to start the wind turbine 10, the jet J is ejected, so that the wind turbine 10 can start rotating.
In addition, when the wind W exceeds the amount of rotational force that can be obtained, the jet J is stopped from being ejected, thereby preventing unnecessary consumption of energy.

上記実施形態では、ジェット制御手段140は、風Wの風速や、回転軸20の回転数に基づいてジェットJを噴射したり停止したりするものとして説明したが、これに限定されない。
例えば、ジェット制御手段140は、各ブレード11に対する風向に基づいて、ブレード11からジェットJを噴射するようにしても良い。
In the above embodiment, the jet control means 140 has been described as spraying or stopping the jet J based on the wind speed of the wind W and the rotation speed of the rotating shaft 20, but the present invention is not limited to this.
For example, the jet control means 140 may eject the jet J from each blade 11 based on the wind direction relative to the blade 11 .

本実施形態で説明した風車10のように、風Wを受けることで揚力を発生するブレード11を用いている場合、回転する3つのブレード11のうち、風向方向に向かう(風Wが向かい風となる)ブレード11には揚力が生じるが、風向方向が追い風となるブレード11には揚力が生じないということが知られている。即ち、風向方向が向かい風となるブレード11は、揚力分だけ風向方向が追い風となるブレード11よりも回転軸20を回転させる力が大きいと言える。 When using blades 11 that generate lift by receiving wind W, as in the wind turbine 10 described in this embodiment, it is known that, of the three rotating blades 11, the blades 11 facing the wind direction (wind W is a headwind) generate lift, but the blades 11 facing the wind direction as a tailwind do not generate lift. In other words, it can be said that the blades 11 facing the wind direction as a headwind have a greater force for rotating the rotating shaft 20 by the amount of lift than the blades 11 facing the wind direction as a tailwind.

そこで、風向方向が向かい風となるブレード11からのジェットJの噴射を停止し、風向方向が追い風となるブレード11からのみジェットJを噴出するようにジェット噴射装置8を構成しても良い。即ち、1つのブレード11が回転軸20の周りを1回転する間に、ジェットJの噴射と噴射の停止とを繰り返すような制御とされる。
このようにジェット噴射装置8を構成することにより、ジェットJの生成に必要とされるエネルギーを少なくすることができる。
Therefore, the jet ejection device 8 may be configured to stop ejection of the jet J from the blades 11 facing the wind direction, and eject the jet J only from the blades 11 facing the wind direction. In other words, the jet ejection device 8 is controlled so that ejection and ejection are repeatedly stopped while one blade 11 rotates once around the rotation shaft 20.
By configuring the jet injection device 8 in this manner, the energy required to generate the jet J can be reduced.

図9は、ジェット噴射装置の他の形態を示す図である。
この場合、図9に示すように、ジェット噴射装置8は、前述の圧縮空気生成手段100、回転角検出手段120、風速検出手段130,ジェット制御手段140に加え、風向検出手段160を備えた構成とすれば良い。
風向検出手段160には、例えば、検出した風Wの向きを電気的な信号として出力可能に構成されたセンサを利用することができる。
FIG. 9 is a diagram showing another embodiment of the jet ejection device.
In this case, as shown in FIG. 9, the jet injection device 8 may be configured to include a wind direction detection means 160 in addition to the compressed air generation means 100, rotation angle detection means 120, wind speed detection means 130, and jet control means 140 described above.
The wind direction detection means 160 may be, for example, a sensor configured to be able to output the detected direction of the wind W as an electrical signal.

風向検出手段160は、例えば、設置された向き(センサ自体に設定された方位角0°(180°)を基準として風Wの向きが出力されるものとして説明する。
風向検出手段160は、例えば、方位角0°の位置が、回転角検出手段120の0°の位置に一致するように設けると良い。これにより、1つのブレード11の位置を回転角検出手段120の0°及び風向検出手段160の方位角0°に一致させることができるので、風Wの向き(風向)に対する他の2つのブレード11の位置の特定が容易とされる。
The wind direction detection means 160 will be described as outputting the direction of the wind W based on, for example, the installed direction (an azimuth angle of 0° (180°) set in the sensor itself).
The wind direction detection means 160 may be provided, for example, such that the position of an azimuth angle of 0° coincides with the position of 0° of the rotation angle detection means 120. This allows the position of one blade 11 to coincide with 0° of the rotation angle detection means 120 and with an azimuth angle of 0° of the wind direction detection means 160, making it easy to identify the positions of the other two blades 11 relative to the direction of the wind W (wind direction).

また、この場合には、各ブレード11への圧縮空気の供給が必要とされる。そこで、例えば、回転軸20の中空部に進入した全てのアーム12の端部に電気的に開閉される弁を設け、各弁とジェット制御手段140とを配線により接続すれば良い。弁とジェット制御手段140とを接続する配線は、例えば、回転軸20の中空部を下側に向けて延長させ、ケーシング40の上側部分41内でスリップリング等を介して電気的な接続を維持したまま回転軸20の中空部から回転軸20の外のジェット制御手段140と接続すれば良い。 In this case, it is also necessary to supply compressed air to each blade 11. Therefore, for example, electrically opened and closed valves can be provided at the ends of all arms 12 that enter the hollow portion of the rotating shaft 20, and each valve can be connected to the jet control means 140 by wiring. The wiring connecting the valves and the jet control means 140 can be extended, for example, downward through the hollow portion of the rotating shaft 20, and connected from the hollow portion of the rotating shaft 20 to the jet control means 140 outside the rotating shaft 20 while maintaining an electrical connection via a slip ring or the like within the upper part 41 of the casing 40.

したがって、ジェット制御手段140は、回転中のブレード11のうち、風向の向きに達したブレード11に連結されたアーム対12;12の弁に信号を出力することで、該ブレード11からジェットJを噴出させることができる。また、ジェット制御手段140は、このブレード11が180°回転したときに、弁への信号の出力を停止すれば良い。 Therefore, the jet control means 140 can output a signal to the valve of the arm pair 12;12 connected to the blade 11 that has reached the wind direction among the rotating blades 11, thereby causing the jet J to be ejected from that blade 11. In addition, the jet control means 140 can stop outputting a signal to the valve when that blade 11 has rotated 180°.

このようにジェットJの噴射を制御することにより、必要なときに風車10の回転を補助し、安定させることができる。 By controlling the ejection of jet J in this way, it is possible to assist and stabilize the rotation of the wind turbine 10 when necessary.

なお、ブレード11からのジェットJの噴射は、上記制御に限定されず、適宜変更しても良い。但し、ジェットJの噴射は、風力発電装置1の発電効率を高めつつジェットJの噴射に必要とされるエネルギーの消費を抑えるように制御することが好ましい。 The ejection of the jet J from the blade 11 is not limited to the above control and may be changed as appropriate. However, it is preferable to control the ejection of the jet J so as to reduce the consumption of energy required for ejection of the jet J while increasing the power generation efficiency of the wind turbine generator 1.

また、上記実施形態では、各ブレード11の翼長の中央位置に、後縁13上を中心として翼長方向に延長する円孔として開口部80を1つ設けるものとしたが、これに限定されない。即ち、開口部80の数量は1つに限定されず、後縁13の延長方向に複数設けても良い。 In addition, in the above embodiment, one opening 80 is provided as a circular hole extending in the blade span direction from the center on the trailing edge 13 at the center position of the blade span of each blade 11, but this is not limited to this. In other words, the number of openings 80 is not limited to one, and multiple openings may be provided in the extension direction of the trailing edge 13.

開口部80は、円孔として設けるものとして説明したが、その形状は限定されない。例えば、開口部80は、ブレード11の後縁13に沿って延長するスリット状としても良い。このように開口部80を構成することにより、開口部80から噴射されるジェットJは、フラップとして機能し、ブレード11に作用する揚力を大きくすることができる。 Although the opening 80 has been described as being provided as a circular hole, its shape is not limited. For example, the opening 80 may be a slit extending along the trailing edge 13 of the blade 11. By configuring the opening 80 in this manner, the jet J ejected from the opening 80 functions as a flap, and the lift acting on the blade 11 can be increased.

また、開口部80を後縁13上に設けるものとして説明したがこれに限定されず、内側翼面を形成する翼部材や、外側翼面を形成する翼部材に設けても良く、またこれらを組み合わせて設けても良い。開口部80の形成に肝要なことは、ブレード11の後方にジェットJが噴射されることにある。 Although the opening 80 has been described as being provided on the trailing edge 13, this is not limited thereto, and it may be provided on the wing member forming the inner wing surface, the wing member forming the outer wing surface, or a combination of these. The key to forming the opening 80 is that the jet J is ejected behind the blade 11.

なお、開口部80の大きさや形状は、ブレード11内に供給された圧縮空気がジェットJとして噴出可能な大きさとすると良い。 The size and shape of the opening 80 should be such that the compressed air supplied to the blade 11 can be ejected as a jet J.

また、上記実施形態では、風Wの風速や、回転軸20の回転数、風向等に基づいてジェットJを噴射したり停止したりするものとして説明したが、例えば、風Wの風速、回転軸20の回転数、風向等、これらを組み合わせてジェットJの噴射や停止を制御するようにしても良い。 In addition, in the above embodiment, the jet J is described as being sprayed or stopped based on the wind speed of the wind W, the rotation speed of the rotating shaft 20, the wind direction, etc., but the spraying or stopping of the jet J may be controlled by combining, for example, the wind speed of the wind W, the rotation speed of the rotating shaft 20, the wind direction, etc.

また、ジェットJの噴射や停止に係る制御は、上記実施形態で説明した構成に限定されず、ジェットJの噴射を制御するための風Wの風速、回転軸20の回転数、風向等の制御因子に応じて適宜構成すれば良い。 In addition, the control over the ejection and stopping of the jet J is not limited to the configuration described in the above embodiment, but may be appropriately configured depending on control factors such as the wind speed of the wind W, the rotation speed of the rotating shaft 20, and the wind direction for controlling the ejection of the jet J.

以上説明したように、風車10に、ブレード11の後縁13より後方にジェットJを噴射可能な開口部80を設け、開口部80からのジェットJの噴射を制御するジェット噴射装置を備えた構成とすることにより、ジェットJの反力によりブレード11を回転させることができる。例えば、風の力が弱い(風速が遅い)場合であっても、風車10の回転の起動を補助することができる。
また、ブレード11が翼形状を有することにより、噴射されたジェットJの反力によって揚力が生じ、風の力が弱い(風速が遅い)場合であっても、風車10の回転の起動を補助することができる。
また、開口部80が、ブレード11の延長方向に沿って開口するように形成されることにより、開口部80から噴射されたジェットJが、航空機などで知られるフラップとして機能し、噴射されたジェットJの反力とともに大きな揚力が得られ、風車の回転の起動を補助することができる。
また、ジェット噴射装置が、風が向かい風となるブレード11からのジェットJの噴射を停止し、
風が追い風となるブレード11からジェットJを噴射することにより、ジェットJの噴射に要するエネルギーの消費を減らすことができる。
そして、風力発電装置が、風車10を備えることにより、風速が遅い場合であっても発電することができる。
As described above, by providing the wind turbine 10 with the opening 80 capable of ejecting the jet J behind the trailing edge 13 of the blade 11 and by providing a jet ejection device that controls the ejection of the jet J from the opening 80, it is possible to rotate the blade 11 by the reaction force of the jet J. For example, even when the wind force is weak (wind speed is slow), it is possible to assist in starting the rotation of the wind turbine 10.
Furthermore, because the blades 11 have a wing shape, lift is generated by the reaction force of the ejected jet J, which can assist in starting the rotation of the wind turbine 10 even when the wind force is weak (wind speed is slow).
Furthermore, by forming the opening 80 so as to open along the extension direction of the blade 11, the jet J ejected from the opening 80 functions as a flap as known in aircraft, etc., and together with the reaction force of the ejected jet J, a large lift force is obtained, which helps start the rotation of the wind turbine.
In addition, the jet ejection device stops ejecting the jet J from the blade 11 facing the wind,
By ejecting the jet J from the blade 11 with a tailwind, the consumption of energy required to eject the jet J can be reduced.
Furthermore, by including the wind turbine 10, the wind power generation device can generate power even when the wind speed is slow.

本実施形態では、例示的に垂直軸を中心に回転するジャイロミル(H-rotor、Gyromill)型風力発電装置に適用したことを説明するが、例えば、ヘリカルH-ローター型、ダリウス型、クロスフロー型、サボニウス型などの多様な形態の風力発電装置に適用することができる。 In this embodiment, the invention is applied to a gyromill (H-rotor) type wind power generation device that rotates around a vertical axis, but it can also be applied to various types of wind power generation devices, such as a helical H-rotor type, Darrieus type, cross-flow type, and Savonius type.

また、前述した実施形態では、風Wを作動流体として回転する風車10として説明したが、作動流体に水を用いて回転させる水車(羽根車)としても利用できる。
即ち、風車10の適用は、風力発電装置に限らず、水力発電装置に利用しても、同様の効果が得られる。
In the above embodiment, the wind turbine 10 is described as rotating using wind W as the working fluid, but the wind turbine 10 may also be used as a water turbine (impeller) that uses water as the working fluid.
That is, the application of the wind turbine 10 is not limited to wind power generation equipment, and the same effects can be obtained even if the wind turbine 10 is used in a hydroelectric power generation equipment.

1 風力発電装置、8 ジェット噴射装置、10 風車、11 ブレード、
12 アーム、13 後縁、20 回転軸、80 開口部、
100 圧縮空気生成手段、120 回転角検出手段、130 風速検出手段、
140 ジェット制御手段、160 風向検出手段、C 中心軸、J ジェット、W 風。


1 Wind power generation device, 8 Jet injection device, 10 Windmill, 11 Blade,
12 arm, 13 rear edge, 20 rotation axis, 80 opening,
100 compressed air generating means, 120 rotation angle detecting means, 130 wind speed detecting means,
140 jet control means, 160 wind direction detection means, C central axis, J jet, W wind.


Claims (6)

回転軸と、前記回転軸の回転中心軸を中心とする同心円上に均等な間隔で離隔して設けられた複数のブレードと、を備え、前記複数のブレードに風が当たることにより複数のブレードが回転軸とともに回転可能とされた風車であって、
前記ブレードが該ブレードの後縁より後方にジェットを噴射可能な開口部を備え、
前記開口部からのジェットの噴射を制御するジェット噴射装置を備えたことを特徴とする風車。
A windmill comprising a rotating shaft and a plurality of blades arranged at equal intervals on a concentric circle centered on a central axis of rotation of the rotating shaft, the plurality of blades being rotatable together with the rotating shaft when wind strikes the plurality of blades,
the blade has an opening through which a jet can be ejected behind a trailing edge of the blade;
A wind turbine comprising a jet injection device for controlling the injection of a jet from the opening.
前記ブレードは、翼形状を有することを特徴とする請求項1に記載の風車。 The wind turbine according to claim 1, characterized in that the blades have an airfoil shape. 前記開口部がブレードの延長方向に沿って開口するように形成されたことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の風車。 The wind turbine according to claim 1 or 2, characterized in that the opening is formed so as to open along the extension direction of the blades. 前記ジェット噴射装置は、
各ブレードに対する風向に基づいて、ジェットを噴射することを特徴とする請求項1に記載の風車。
The jet injection device is
2. The wind turbine of claim 1, wherein the jets are directed based on the wind direction relative to each blade.
前記ジェット噴射装置は、
風が向かい風となるブレードからのジェットの噴射を停止し、
風が追い風となるブレードからジェットを噴射することを特徴とする請求項1に記載の風車。
The jet injection device is
The jets from the blades that are facing the wind are stopped,
2. The wind turbine according to claim 1, wherein the jet is ejected from a blade facing a tailwind.
前記請求項1乃至請求項5に記載の風車を備え、
前記回転軸の回転により発電する発電機を備えた風力発電装置。



The wind turbine according to any one of claims 1 to 5 is provided.
A wind power generation device equipped with a generator that generates electricity by rotation of the rotating shaft.



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